Цветоизмерительное устройство
Заявляемое решение относится к области колориметрии для измерения и количественного выражения качества цвета (анализа изображения объекта) в различных областях промышленного производства, где необходимо анализировать или синтезировать цвет объектов.
Известны устройства, предназначенные для указанной цели: спектрофотометры и калориметры (1).
Наиболее близким аналогом выбран патент РФ 
2063063, при этом прототип корректен как для заявляемого устройства, так и для способа (2). Однако ограничением решений по указанному патенту являются недостаточная чувствительность системы, искажение измеряемого света в зависимости от угла падения света источника освещения,
Технической задачей модели является повышение точности и достоверности измерения и/или количественного выражения качества цвета объектов, а техническим результатом - повышение на порядок чувствительности системы и ее компактность, повышение точности измерения, адаптация к различным источникам света, возможность пристыковки к любым оптическим устройствам.
Технический результат достигается тем, что цветоизмерительное устройство состоит из корпуса, источников света, волоконно-оптического световода, светочувствительных датчиков, усилителей сигналов для аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и кабеля передачи сигналов на приемное устройство, например компьютер. Оптическая система состоит из приемника света на три канала основных цветов RGB (красного, зеленого, синего цвета) выполнена в виде волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала, а блок считывания цвета объекта выполнен в виде системы трех светофильтров основных цветов - красного, зеленого, синего (RGB), диафрагмы или иного средства регулировки количества света и расположенных за ними светочувствительных датчиков. 1 н.п. ф-лы, 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Заявляемое решение относится к области колориметрии для измерения и количественного выражения качества цвета (анализа изображения объекта) в различных областях промышленного производства, где необходимо анализировать или синтезировать цвет объектов.
Известны устройства, предназначенные для указанной цели: спектрофотометры и калориметры (1).
Наиболее близким аналогом выбран патент РФ 2063063, при этом прототип корректен как для заявляемого устройства, так и для способа (2). Однако ограничением решений по указанному патенту являются недостаточная чувствительность системы, искажение измеряемого света в зависимости от угла падения света источника освещения.
Технической задачей модели является повышение точности и достоверности измерения и/или количественного выражения качества цвета объектов, а техническим результатом - повышение на порядок чувствительности системы и ее компактность, повышение точности измерения, адаптация к различным источникам света, возможность пристыковки к любым оптическим устройствам.
Технический результат достигается тем, что цветоизмерительное устройство состоит из корпуса, источников света, волоконно-оптического световода, светочувствительных датчиков, усилителей сигналов для аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и кабеля передачи сигналов на приемное устройство, например компьютер. Оптическая система состоит из приемника света на три канала основных цветов RGB (красного, зеленого, синего цвета) выполнена в виде волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала, а блок считывания цвета объекта выполнен в виде системы трех светофильтров основных цветов - красного, зеленого, синего (RGB), диафрагмы или иного средства регулировки количества света и расположенных за ними светочувствительных датчиков. В приводимой ниже таблице сведены сравнительные характеристики заявляемого цветоизмерительного устройства и стандартных аналогов.
| Таблица 1 | ||||
| п/п | ХАРАКТЕРИСТИКИ | ЦВЕТОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО | СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ | КОЛОРИМЕТРЫ |
| 1. | Диапазон спектральной чувствительности. | 410-750 нм (видимый диапазон). При необходимости диапазон спектральной чувствительности может быть продлен в коротковолновую или длинноволновую область. | 190-3200 Нм. | 315-980 Нм. |
| 2. | Источник света. | Лампа накаливания 1-5 Вт. | Галогеновая и дейтериевая лампы высокой интенсивности, более - 100 Вт. | Галогеновая лампа-100 Вт. |
| 3. | Область измеряемого участка. | Диаметр измеряемого участка: с микроскопом - до 15 микрон, без микроскопа - от 2 до 20 мм. | 3-10 мм. | 2-10 мм. |
| 4. | Количество измерений в единицу времени. | Количество измерений в секунду от 50 до 100000 и более в зависимости от мощности компьютера и цифрового преобразователя. | Сканирование спектра от одного измерения - от 1 сек -минут. | Менее 25 сек |
| 5. | Подготовительный период перед началом работ. | Устройство не требует предварительной настройки перед началом работ и готово к работе через 1-2 мин. после включения. | 30-40 мин. | 10-15 мин. |
| 6. | Режимы работ. | Устройство адаптировано к любым режимам работы: с любыми источниками света, с различными материалами и поверхностями, например, измерение на просвет и измерение в отраженном свете. Материалы: твердые, жидкие, прозрачные, газообразные и излучающие свет, например, люминесценция. Поверхности: шероховатые, глянцевые, матовые, жидкие и многослойные (пигменты и лаки). | Специально подготовленные поверхности для измерения в лабораторных условиях. Жидкости измеряются в специальных кюветах. Дейтериевые и галогеновые лампы повышенной интенсивности. | Различные поверхности измерения источником освещения лампами 100 более Вт. |
| 7. | Диапазон отражения поверхностей. | Измеряемые объекты могут быть черные, белые, нейтральные серые и цветовые оттенки будут в них определяться. | Для спектрофотометрии используются светлые поверхности. Темные поверхности можно освещать только очень мощными источниками света. | От светлых до темных. |
| 8. | Погрешность. | Погрешность измерения от 0,5% до 0,05% в зависимости от параметров компьютера и цифрового преобразователя. | 0,1%-0,5% | 0,3%-0,5% |
| 9. | Вид отображаемой информации. | Замеры устройства с одной точки могут осуществляться одновременно в разных видах: в координатах цвета, | Спектральная функция | Координаты цветности. |
 | | насыщенности цвета, количеств белого цвета, коэффициента рассеивания, в функциях отклонения и другие параметры, в зависимости от цели. Все параметры могут выводиться в виде графиков и анализа программной обработки. | | |
| 10. | Определение свойств объектов. | Измерения данного устройства дают возможность определять сложные зависимости, связанные с деформациями объекта, например, покрытие лаками, повреждениями на поверхности и т.д. Информация выводится на дисплей в любом колориметрическом стандарте и в координатах на диаграмме цветности, в графическом виде, в таблицах и цифровом коде. | Спектрофотометры не дают наборов параметров, перечисленных нашим устройством. | Cпeктpoфoтoметры не дают наборов параметров, перечисленны нашим устройст вом. |
| 11. | Способы измерений объектов. | Измерение цвета может быть, как контактным, так и бесконтактным способом. Бесконтактный способ позволяет делать замеры от 2 до 5 см от поверхности. В дальнейшем это расстояние | Контактный. | Контактный. |
| | будет увеличиваться. | | |
| 12. | Быстродействие | Благодаря высокой скорости измерения, механическое или электронное сканирование поверхности может осуществляться от минут до одной секунды. | Из-за малой скорости сканирования спектра, спектрофотометр сканировать протяженную поверхность объекта не может. | Колориметр может сканировать поверхности очень медленно долго. |
| 13. | Возможность воспринимать (игру цвета) функцию интерференции. | При замерах прозрачных многослойных сред разной оптической плотности (лаки, защитные покрытия, эмали, окисные пленки) этим устройством можно выявлять и записывать функцию интерференции, вызывающую игру цвета. | Не может. | Не может. |
| 14. | Возможность воспринимать (игру цвета) функции дифракции. | При замерах пористых структур, например сажи, пигментов или похожих по свойствам материалов, можно таким образом определять дифракционные свойства чередующейся микроструктуры, которые подобно дифракционным решеткам взаимодействуют со светом, образуя игру цвета, подобно интерференции. | Не может. | Не может. |
| 15. | Результаты от | В пунктах 14 и 15 | Не может. | Не может. |
| сочетания пунктов 14 и 15. | перечисленные возможности измерения свойств поверхности позволяют использовать этот параметр при идентификации индивидуальных способов нанесения художником красок и лаков. | | |
| 16. | Габариты устройства. | Размеры цветоизмерительного устройства на японских ФЭУ: высота цветоизмерительной головки L=200 мм, диаметр В=70 мм. Вес изделия не более 1 кг. Размеры на полупроводниках: высота цветоизмерительного устройства L=100 мм, диаметр В=30 мм. | Масса спектрофотометра 10-12 кг. | Масса колориметров 8-20 кг. |
| 17. | Достоинства. | Это устройство компактно, неприхотливо к различным условиям работы, универсально для работ с любыми материалами, обладает высоким быстродействием. Устройство может сканировать поверхность в движении, не повреждает поверхности и пригодно к работе с культурными | Спектрофотометр дает возможность определить состав вещества по спектральной функции. | Колориметры определяют координаты цветности измеряемой поверхности свойства связанные ними. |
| | ценностями. При работе с картинами, устройство может измерять функции поверхностей, как с поверхности изображения, так и с обратной стороны, со стороны холста и паспортизовать их. Данное устройство может использоваться в идентификации картин и других культурных ценностей. | | |
| 18. | Недостатки. | Если картину закрасить с двух сторон непроницаемой краской, то определить ее будет невозможно. | Спектрофотометр не может использоваться в идентификации картин: нет возможности сканировать поверхности из-за малой скорости сканирования спектра, используются мощные источники света, что недопустимо при работе с культурными ценностями из-за возможности термического повреждения. | Колориметр способен сканировать поверхность малой скоростью, н он предназначен для узки задач, связанных определением цветности свойствами связанными с ней. |
Цветоизмерительное устройство предназначено для измерения цвета в видимом диапазоне спектральной чувствительности от 410 Нм.-760 Нм. Измерение цвета осуществляется в отраженном и в проходящем свете, самих источников света, как в статике, так и в режиме сканирования. При использовании сменного волоконно-оптического зонда-приставка (не показан на чертеже) можно производить измерение на определенном расстоянии от цветоизмерительного устройства, т.е. проникать в труднодоступные места. Для калибровки устройства по эталонам (основных цветов) цветов, предусмотрен принцип электронного запоминания эталонов и измерение относительно их.
Цветоизмерительное устройство может включать волоконно-оптическую насадку, блок питания, кабель для подключения к АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) и программное обеспечение.
На фиг.1 изображен предпочтительный вариант заявляемого устройства, состоящего из:
1 - корпус, 2 - источники света, 3 - бленда (оптическая воронка), 4 - волоконно-оптический разветвитель, 5 - средство регулировки светом, например, диафрагма, трубка, или другие средства регулировки количества проходящего света, 6 - светофильтры, 7 - светочувствительные датчики: фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды, фотоэлементы и другие светочувствительные датчики, 8- электронный усилитель сигналов, 9 - три канала разветвителя 4, 10 - кабель передачи сигналов на АЦП.
Волоконно-оптический разветвитель 4 состоит из волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала RGB 9 или состоит из набора волоконно-оптических кабелей и пристыковывается торцами через расположенные перед ними диафрагмы или другие средства регулировки света 5 и фильтры 6 к светочувствительным датчикам 7.
Средством регулировки светом могут быть, например, ирисовые диафрагмы, а также трубки, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой и другие средства для регулировки уменьшения или увеличения количества света. Диафрагмы или иные средства регулировки светом 5 расположены перед светочувствительными датчиками 7, и на торце входа отраженного света, при необходимости, тоже устанавливается диафрагма или иные средства регулировки светом 5.
Используются три светофильтра с зонами пропускания света основных цветов RGB, которые установлены перед светочувствительными датчиками.
Ниже приведены отличия заявляемого устройства от ближайшего аналога.
Цветоизмерительное устройство, содержащее корпус, оптический блок восприятия и передачи света на три разделенных канала, блок считывания цвета объекта, светофильтры основных цветов (RGB) и соответствующие им средства преобразования количества разделенных цветов в информационные сигналы, светофильтры основных цветов в блоке считывания цвета объекта, расположенные перед средствами преобразования количества разделенных цветов в информационные сигналы, характеризуется тем, что оно имеет источники света 2, волоконно-оптический разветвитель 4, средство регулировки светом 5, светочувствительные датчики 7, электронный усилитель сигналов 8, три канала разветвителя 9 передачи сигналов на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что волоконно-оптический разветвитель 4 в продолжении от торца расходится на три канала RGB или состоит из набора волоконно-оптических кабелей и пристыковывается торцами через расположенные перед ними диафрагмы 5 и фильтры 6 к светочувствительным датчикам 7.
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что средством регулировки светом могут быть ирисовые диафрагмы или трубки, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой и другие средства для уменьшения или увеличения количества света.
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что диафрагмы или другие средства регулировки количества света 5 расположены перед светочувствительными датчиками 7 и на торце входа отраженного света возможна установка дополнительной диафрагмы или других средств регулировки количества света 5.
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что светочувствительные датчики являются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), или фотодиодами, или фотоэлементами, или иными датчиками.
Цветоизмерительное устройство работает следующим образом:
Измерение цвета включает этапы оптического восприятия и передачи света на три разделенных канала, измерения количества трех основных цветов путем пропускания света через светофильтры системы измерения и последующего измерения количества разделенных цветов на соответствующих средствах измерения, в качестве средств регулировки количества измеряемого света используются диафрагмы или иные средства регулировки света.
Измерение цвета осуществляют контактно или бесконтактно, механическим путем или электронным сканированием поверхности в видимом диапазоне спектральной чувствительности, в отраженном и в проходящем свете, в статике или в движении.
Измерение осуществляют со скоростью от тысячных долей секунды до нескольких секунд.
По бесконтактному способу производят замеры от 2 до 5 см от измеряемой поверхности и более при стыковке с оптическими адаптерами. Измерение цвета осуществляется в видимом диапазоне спектральной чувствительности и составляет от 410 Нм. до 760 Нм.
При использовании сменного волоконно-оптического зонда-приставки производят измерение на расстоянии от цветоизмерительного устройства с возможностью проникновения в труднодоступные места.
При прозрачных многослойных средах разной оптической плотности или микропористых структурах производят замеры с возможностью определения интерференционных свойств многослойных поверхностях или дифракционных свойств чередующейся микроструктуры подобно дифракционным решеткам. Данное устройство используют для идентификации картин и других культурных ценностей, при работе с картинами можно измерять функции поверхностей как с поверхности изображения, так и с обратной стороны, со стороны холста и паспортизовать их.
Измерительную информацию выводят на дисплей в любом колориметрическом стандарте или в координатах на диаграмме цветности, или в графическом виде, или в таблицах, или в цифровом коде.
Измеряются объекты любого цвета, материала и поверхности.
Количество измерений в секунду составляет от 50 до 100000 и более, с погрешностью измерения от 0,5% до 0,05%, с использованием любых источников света.
Диаметр измеряемого участка с микроскопом до 15 микрон, без микроскопа от 2 до 20 мм.
Заявляемое устройство, выполненное в виде волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала, а блок считывания цвета объекта выполнен в виде системы трех светофильтров основных цветов RGB, диафрагм или иных средств регулировки света и расположенных за ними средств преобразования разделенного фильтрами света в электрические сигналы, имеет следующие преимущества перед аналогами:
- повышение на порядок чувствительности системы и ее компактность;
- повышение точности измерения;
- адаптация (пристыковка) к любым оптическим устройствам. Источники информации.
1.http://www.econix.com/catalog.html
httD://www.inergo.ru/catalog/section.php?SECTION id=335
http://td-kip.ru/katalog/index.php
http://vta.ru/production/lab/analit/optical/spectrofotometruniko/
2. Патент RU 2063063.1996 г.
1. Цветоизмерительное устройство, содержащее корпус, оптический блок восприятия и передачи света на три разделенных канала, блок считывания цвета объекта, светофильтры основных цветов RGB и соответствующие им средства преобразования количества разделенных цветов в информационные сигналы, светофильтры основных цветов в блоке считывания цвета объекта, расположенные перед средствами преобразования количества разделенных цветов в информационные сигналы, отличающееся тем, что оно имеет источники света, волоконно-оптический разветвитель, средство регулировки светом, светочувствительные датчики, электронный усилитель сигналов, три канала разветвителя передачи сигналов на аналогово-цифровой преобразователь.
2. Цветоизмерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что волоконно-оптический разветвитель в продолжении от торца расходится на три канала RGB или состоит из набора волоконно-оптических кабелей и пристыковывается торцами через расположенные перед ними диафрагмы и фильтры к светочувствительным датчикам.
3. Цветоизмерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что средством регулировки светом могут быть ирисовые диафрагмы или трубки, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой и другие средства для уменьшения или увеличения количества света.
4. Цветоизмерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что диафрагмы расположены перед светочувствительными датчиками или трубки, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой и другие средства для уменьшения или увеличения количества пропускания света и на торце входа отраженного света возможна установка дополнительной диафрагмы или трубок, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой, и другие средства регулировки для уменьшения или увеличения количества пропускания света.
5. Цветоизмерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что светочувствительные датчики являются фотоэлектронными умножителями, или фотодиодами, или фотоэлементами, или иными датчиками.
